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1、河南理工大学,计算机图形学,第2章 图形系统,Computer Graphics,2019/5/21,HPU,2,第2章 图形系统,2.1 图形显示原理 显示方式：随机、存储式、光栅 典型光栅显示器:CRT、LCD 光栅显示系统 颜色查找表 2.2 图形系统的组成 2.3 图形系统标准及软件,2019/5/21,HPU,3,显示方式-随机扫描,特点：电子束可随意移动，只扫描荧屏上要显示的部分。 逻辑部件：刷新存储器(Refreshing Buffer),显示处理器（DPU:Display Processing Uuit）和CRT,2019/5/21,HPU,4,显示方式-随机扫描,随机扫描显示
2、器是为画线应用设计的，由于图形修改方便，因此交互性能较好，图形可以作无级放大，而不会出现锯齿状。但不能显示色彩逼真图形，另外图形的显示质量与一帧的画线数量有关，当一帧线划太多，无法维持3060帧/秒的刷新频率时，就会出现满屏闪烁。,2019/5/21,HPU,5,显示方式-直视存储管,为了克服随机扫描显示器的不断刷新的缺点，发展了利用显示器本身来存储信息的技术:20世纪60年代后期 表面上看存储管的特性极象一个有长余辉的荧光屏，一条线一旦画在屏幕上，在一小时之内都将是可见的。 电子束写在屏幕后的涂有介质的网格上，然后由一个独立的读数电子枪将图案复制到屏幕上。直视存储管显示时间可持续近1个小时，
3、清除需1/2秒。其优点是显示时无闪烁,显示分辨率高(203203平方毫米有10241024光点)，价格低。缺点是显示速度慢,不易修改,不能用作动态显示。,2019/5/21,HPU,6,显示方式-光栅扫描显示,电子束依照固定的扫描线和规定的扫描顺序进行扫描。电子束先从荧光屏左上角开始，向右扫一条水平线，然后迅速地回扫到左边偏下一点的位置，再扫第二条水平线，照此固定的路径及顺序扫下去，直到最后一条水平线，即完成了整个屏幕的扫描。在扫描时，电子束的强度不断变化来建立 亮点的图案。,2019/5/21,HPU,7,显示方式-光栅扫描显示,图形定义存放在帧缓冲存储器中，帧缓存保存了对应屏幕所有点的亮度
4、值。每个屏幕点称作象素，由于光栅扫描CRT对屏幕上每个象素都有存储亮度信息的能力，因此它能较好地用于包含细微阴影和彩色场景的逼真显示。,2019/5/21,HPU,8,显示方式-光栅扫描显示,光栅扫描显示器中，屏幕图形是依靠帧缓存进行刷新的，而视频控制器是负责刷新的部件，它建立了帧缓存中的单元与屏幕象素之间一一对应的关系.,2019/5/21,HPU,9,显示方式-光栅扫描显示,优点：它不仅可以显示物体的轮廓线，而且由于能对每一象素的灰度或色彩控制，因而可以进行实面积填充，这就使得输出真实感图形成为可能。此外，它可以和电视兼容，价格远低于随机扫描显示器。自80年代以来，已成为显示器市场的主流。
5、 缺点：从应用程序中将图形的描述转换成帧缓存中象素信息的过程（扫描转换）比较费时，相应的软件比较复杂。另外，在显示斜线时，还存在线条边缘的阶梯效应。,2019/5/21,HPU,10,光栅显示器,光栅显示：台式机和投影显示器的显示技术有多种。这些显示器的分辨率和物理尺寸各不相同。编程人员通常假设像素；排成矩形阵列，又称为光栅。,2019/5/21,HPU,11,光栅显示器,彩色阴极射线管 液晶显示器,2019/5/21,HPU,12,光栅显示器-CRT,阴极射线管(CRT- Cathode Ray Tube) 组成：包括电子枪、加速结构、聚焦系统、偏转系统、荧光屏,2019/5/21,HPU,
6、13,光栅显示器-CRT,产生彩色的常用方法： 射线穿透法 影孔板法 射线穿透法：两层荧光涂层，红色光和绿色光两种发光物质，电子束轰击穿透荧光层的深浅，决定所产生的颜色,电子束,荧光涂层,产生颜色,低速电子束,较低速电子束,较高速电子束,高速电子束,2019/5/21,HPU,14,彩色阴极射线管-影孔板法,外层玻璃,荧光涂层,影孔板,影孔板法:影孔板被安装在荧光屏的内表面，用于精确定位像素的位置,2019/5/21,HPU,15,彩色阴极射线管-影孔板法,点状影孔板工作原理 红、绿、兰三基色 三色荧光点（很小并充分靠近-像素） 三支电子枪,电子枪、影孔板中的一个小孔和荧光点呈一直线； 每个小
7、孔与一个像素（即三个荧光点）对应,2019/5/21,HPU,16,显示器能显示颜色个数:调节各电子枪发生的电子束中所含电子的数目，即可控制各色光点亮度。 如果每支电子枪发出的电子束的强度有256个等级，则显示器能同时显示256*256*256=16M种颜色，称为真彩系统,彩色阴极射线管-影孔板法,2019/5/21,HPU,17,影孔板的类型 点状影孔板 代表：大多数球面与柱面显像管 栅格式影孔板 代表：Sony的Trinitron与Mitsubishi 的Diamondtron显像管 沟槽式影孔板 代表：LG的Flatron显像管,彩色阴极射线管-影孔板法,2019/5/21,HPU,18
8、,荫栅式彩色CRT显色原理,荫栅式,2019/5/21,HPU,19,柱面和球面显示器点距定义示意图,点距示意,2019/5/21,HPU,20,光栅显示器-LCD,CRT固有的物理结构限制了它向更广的显示领域发展 屏幕的加大必然导致显象管的加长，显示器的体积必然要加大，在使用时候就会受到空间的限制 CRT显示器是利用电子枪发射电子束来产生图像，容易受电磁波干扰 长期电磁辐射会对人们健康产生不良影响,2019/5/21,HPU,21,Liquid Crystal Display,LCD显示器的优点 外观小巧精致，厚度只有6.58cm左右。 不会产生CRT那样的因为刷新频率低而出现的闪烁现象 工
9、作电压低，功耗小，节约能源 没有电磁辐射，对人体健康没有任何影响,2019/5/21,HPU,22,LCD显示器基本原理,液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质。当液晶受到电压的影响时，就会改变它的物理性质而发生形变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，而产生色彩. 液晶显示器的工作原理是利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过。,2019/5/21,HPU,23,LCD显示器基本原理,液晶显示器LCD(Liquid Crystal Display)是由六层薄板组成的平板式显示器 液晶屏幕后面有一个背光，这个光源先穿过第一
10、层偏光板，再来到液晶体上，而当光线透过液晶体时，就会产生光线的色泽改变，从液晶体射出来的光线，还得必须经过一块彩色滤光片以及第二块偏光板,反射层,水平极板,水平网格线,液晶层,垂直网格线,垂直极板,观察方向,2019/5/21,HPU,24,光栅显示器-LCD,LCD缺点： 寿命短、怕震动、温度敏感 分辨率相对较低，色彩不够鲜艳,2019/5/21,HPU,25,未来显示器,采用空气等离子体技术，无须刷新缓冲存储器 空气等离子体可想象成一个个微型霓虹灯，红绿蓝三种不同颜色的像素。 显示屏薄，挂在墙上。 发光聚合物技术，坚不可摧；柔韧性好，可以卷起来；显示画面具有无与伦比的清晰度，无锯齿现象。真
11、正的平面直角。,2019/5/21,HPU,26,光栅扫描显示系统,象素的亮度范围取决于帧缓存的位数。在简单的黑白显示中，每个象素只有两个亮度值：亮、暗，因此每个象素只需一位来控制屏幕位置的亮度。如果要显示彩色并且亮度可变，就需要增加位，在高质量系统中，每个象素可多达24位（红、绿、蓝三基色，每种基色占8位：83=24位），这时每个象素可显示224种亮度值。,2019/5/21,HPU,27,黑白光栅扫描显示器,黑白光栅显示器的逻辑框图如上：其中帧缓存是一块连续的计算机存储器。对于黑白单灰度显示器每一象素需要一位存储器，对一个10241024象素组成的黑白单灰度显示器所需要的最小缓存为220，
12、并在一个位面上。,2019/5/21,HPU,28,彩色光栅扫描显示器,在光栅图形显示器中需要足够的位面和帧缓存结合起来才能反映图形的颜色和灰度等级。如下图是一个具有N位面灰度等级的帧缓存。显示器上每个象素的亮度是由N位面中对应的每个象素位置的内容控制的。该存储器的中的二进制的数被翻译成灰度等级，范围是0到2N-1之间。,2019/5/21,HPU,29,彩色光栅扫描显示器,下图是彩色光栅显示器的逻辑图，对于红、绿、蓝三原色有三个位面的帧缓存和三个电子枪。,2019/5/21,HPU,30,彩色光栅扫描显示器,每个颜色的电子枪可以通过增加帧缓存位面来提高颜色种类的灰度等级。如上图，每种原色电子
13、枪有8个位位面的帧缓存和8位的数模转换器，每种原色可有256中灰度，三种原色的组合将是(28)3=224。,2019/5/21,HPU,31,彩色光栅扫描显示器,若每个单元有24位（每种基色占8位）即显示系统可同时产生224种颜色（24位真彩色）。 分辨率M*N、颜色个数K与显存大小V的关系,2019/5/21,HPU,32,彩色光栅扫描显示器,3个位面分辩率是10241024的显示器，需要显存的大小是多少KB? 若存储器位长固定，则屏幕分辩率与同时可用的颜色种数成反比关系。 1兆字节的帧缓存，若设分辩率为640480，则帧缓存每个单元可有24位，可能同时显示224种颜色，若设分辩率为1024
14、768，则每个单元分得的位数仅略多于8，只能工作于256色显示模式下。,2019/5/21,HPU,33,工作于高分辨率和真彩色模式下的光栅系统显示的图形精度高、质量好，但也带来两个问题： 1.需要大容量的帧缓存，例如当屏幕分辨率为10241024，每个象素24位（以真彩色显示）时，帧缓存的容量需要：1024102424/8=3M字节； 2.要求视频控制器对帧缓存有较快的存取速度，通信线路有较大的传输带宽。 解决方法：采用查色表(Lookup Table）或称彩色表(Color Table),2019/5/21,HPU,34,查色表（look up Table）,颜色信息在帧缓存中两种存放方式
15、：一是颜色值直接存储在帧缓存中。二是把颜色码放在一个独立的表中，帧缓存存放的是颜色表中各项的索引值，颜色范围扩充了。 图形系统为更灵活控制图形和颜色的变化，往往不直接将帧缓冲器中的数值作图显示的亮度值，而是先经过颜色查找表（又称调色板)结构产生变换值来控制光点的亮度。,2019/5/21,HPU,35,查色表（look up Table）,是一维线性表，其每一项的内容对应一种颜色，它的长度由帧缓存单元的位数决定，例如：每单元有8位，则查色表的长度为28256 目的：在帧缓存单元的位数不增加的情况下，具有大范围内挑选颜色的能力：,2019/5/21,HPU,36,第二章 图形系统,2.1 图形显
16、示原理 2.2 图形系统的组成 图形显示系统组成结构：简单、典型、专用 图形系统的体系结构：图形流水线 图形处理器 图形系统组成结构 2.3 图形系统标准及软件,2019/5/21,HPU,37,简单的光栅扫描图形显示系统的结构,其中，帧缓存为系统内存任一块区域，视频控制器能够直接存取该区域以刷新屏幕。,光栅显示系统的结构-简单,2019/5/21,HPU,38,较为典型的光栅扫描图形显示系统的结构,其中，帧缓存可以是专用的存储器，也可以是系统内存中的一块固定区域。,普通显卡=视频控制器+显存,光栅显示系统的结构-典型,2019/5/21,HPU,39,光栅显示系统的结构-专用,具有专用显示处理器的光栅显示系统的结构,图形加速卡=视频控制器+显存+显示处理器,显示处理器:代替CPU完成部分图形处理功能，扫描转换、几何变换、裁剪、光栅操作、纹理映射等,2019/5/21,HPU,40,图形系统的体系结构,图形系统的核心结构图形系统的体系结构 图形硬件描述的是进行快速绘制所必需的硬件单元，它使用基于光栅的专用硬件体系结
